【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=기초과학 연구가 인공지능(AI) 시대의 핵심 난제로 떠오른 전력 문제 해결에 새로운 돌파구를 제시했다.

▲ 2차원 반도체 위에 초미세 금속 팁을 정밀하게 배치해, 나노미터 공간에서 8,300%의 엑시톤 흐름 증폭 현상이 가능함을 묘사한 그림  © 포스텍

POSTECH(포항공과대학교) 물리학과·반도체공학과·융합대학원·반도체대학원 박경덕 교수 연구팀은 2차원 반도체에서 ‘엑시톤(exciton)’의 이동을 나노미터(10억분의 1m) 수준에서 정밀 제어하고, 이를 기존 대비 최대 8,300%까지 증폭시키는 새로운 물리 현상을 세계 최초로 규명했다고 밝혔다. 이번 성과는 데이터센터 전력 급증과 반도체 발열 문제로 대표되는 AI 산업의 구조적 한계를 근본적으로 개선할 수 있는 차세대 정보 전달 방식의 가능성을 제시했다는 평가다.

현재 반도체는 전자의 흐름을 기반으로 정보를 전달한다. 그러나 전자 이동 과정에서 발생하는 열은 에너지 손실과 성능 저하로 이어지며, 특히 AI 데이터센터는 도시 하나에 맞먹는 전력을 소비할 정도로 에너지 부담이 커지고 있다. 이에 대한 대안으로 주목받는 ‘엑시톤’은 빛과 전자의 성질이 결합된 준입자로, 전기적으로 중성이어서 이동 시 열 발생이 거의 없는 것이 특징이다. 다만, 엑시톤을 원하는 방식으로 정밀하게 제어하는 기술적 한계로 인해 실제 소자 적용에는 어려움이 있었다.

연구팀은 이를 극복하기 위해 빛과 전기장을 나노미터 수준에서 제어할 수 있는 나노 공진 분광 기술을 새롭게 개발했다. 해당 기술은 초미세 공간에 빛과 전기장을 집중시켜 반도체 내부의 ‘에너지 지형’을 정밀하게 조절하고 동시에 관측할 수 있게 한다.

연구에 참여한 이형우 박사는 이 기술을 활용해 특정 영역에 엑시톤을 집중시키는 데 성공했으며, 그 과정에서 기존 이론으로 설명되지 않는 새로운 현상을 발견했다. 좁은 공간에 모인 엑시톤들이 서로 반발하면서 오히려 더 빠르고 강하게 외부로 확산되는 현상이 나타난 것이다. 연구팀은 이 현상이 단순한 입자 수가 아닌 ‘밀도 기울기’에 의해 결정된다는 점을 밝혀내며, 엑시톤 확산을 획기적으로 증폭할 수 있음을 입증했다.

특히 해당 현상은 전압 조절만으로 실시간 제어가 가능하다는 점에서 주목된다. 전압 변화에 따라 엑시톤의 이동 방향과 세기를 자유롭게 조절할 수 있어, 반도체 칩 내부에서의 고속·고효율 정보 전달 기술로 이어질 가능성이 크다. 이는 기존 전자 기반 회로를 넘어, 빛과 입자의 특성을 동시에 활용하는 ‘엑시톤 회로’ 구현 가능성을 보여주는 대목이다.

이번 연구는 차세대 반도체 기술을 넘어 다양한 산업 분야로의 확장성도 제시했다. AI 데이터센터의 초저전력 인터커넥트, 고효율 광전자 소자, 차세대 태양전지 등에서 핵심 기술로 활용될 것으로 기대된다. 특히 에너지 효율이 중요한 미래 산업 전반에 새로운 설계 패러다임을 제공할 것으로 전망된다.

연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 삼성미래기술육성재단의 지원으로 수행됐다. 장기적 기초연구 투자에 기반한 성과라는 점에서도 의미가 크다는 평가다.

이형우 박사와 문태영 씨는 “나노미터 공간에서 엑시톤 이동을 직접 생성·관측한 첫 사례로, 새로운 이동 메커니즘을 규명했다”며 “엑시톤 기반 소자 설계의 핵심 원리를 제시했다”고 설명했다. 박경덕 교수는 “기초물리 연구가 산업 기술로 이어질 수 있음을 보여준 사례”라며 “향후 저전력 AI 반도체와 신개념 광소자 기술로 확장될 것”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구 성과는 국제 학술지 Nature Materials에 지난 3월 31일(현지 기준) 게재됐다.

<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

“Exciton Diffusion Amplified by 8,300%”… POSTECH Presents Solution to Power Shortages in the AI ​​Era

Basic science research has presented a new breakthrough in solving the power problem, which has emerged as a core challenge in the era of artificial intelligence (AI).

A research team led by Professor Kyung-Duck Park of the Department of Physics, Department of Semiconductor Engineering, Graduate School of Convergence Science and Technology, and Graduate School of Semiconductor Engineering at POSTECH (Pohang University of Science and Technology) announced that they have identified, for the first time in the world, a new physical phenomenon that precisely controls the movement of “excitons” in two-dimensional semiconductors at the nanometer (one-billionth of a meter) level and amplifies them by up to 8,300% compared to existing levels. This achievement is evaluated as presenting the potential for a next-generation information transmission method that can fundamentally improve the structural limitations of the AI ​​industry, represented by the surge in data center power consumption and semiconductor heat generation issues.

Currently, semiconductors transmit information based on the flow of electrons. However, the heat generated during the electron movement process leads to energy loss and performance degradation; in particular, the energy burden is growing to the point where AI data centers consume power equivalent to that of an entire city. "Excitons," which are attracting attention as an alternative, are quasiparticles combining the properties of light and electrons. They are electrically neutral, characterized by the fact that they generate almost no heat during movement. However, their application in actual devices has been difficult due to technical limitations in precisely controlling excitons in desired ways.

To overcome this, the research team developed a new nano-resonance spectroscopy technique capable of controlling light and electric fields at the nanometer level. This technology concentrates light and electric fields into an ultra-fine space, allowing for the precise control and simultaneous observation of the "energy topography" within semiconductors.

Dr. Hyung-Woo Lee, who participated in the study, successfully concentrated excitons in a specific region using this technology and discovered a new phenomenon in the process that could not be explained by existing theories. The phenomenon occurred where excitons gathered in a narrow space repelled each other, causing them to diffuse outward more quickly and strongly. The research team revealed that this phenomenon is determined not by the simple number of particles but by the "density gradient," proving that exciton diffusion can be dramatically amplified.

In particular, this phenomenon is noteworthy because it can be controlled in real-time solely through voltage adjustment. The ability to freely control the direction and intensity of exciton movement according to voltage changes holds great potential for high-speed and high-efficiency information transfer technology within semiconductor chips. This demonstrates the feasibility of realizing "exciton circuits" that utilize the properties of both light and particles, going beyond existing electronics-based circuits.

This research also presented scalability to various industrial fields beyond next-generation semiconductor technology. It is expected to be utilized as a core technology in ultra-low-power interconnects for AI data centers, high-efficiency optoelectronic devices, and next-generation solar cells. In particular, it is projected to provide a new design paradigm across future industries where energy efficiency is critical.

The research was conducted with support from the Ministry of Science and ICT, the National Research Foundation of Korea, and the Samsung Future Technology Foundation. It is considered highly significant as an achievement based on long-term investment in basic research.

Dr. Hyung-Woo Lee and Mr. Tae-Young Moon explained, "This is the first instance of directly generating and observing exciton movement in nanometer space, and we have identified a new movement mechanism," adding that they "presented the core principles for exciton-based device design." Professor Park Kyung-duk stated, “This is an example demonstrating that basic physics research can lead to industrial technology,” adding that “it will expand into low-power AI semiconductors and novel optical device technologies in the future.”

Meanwhile, the results of this research were published in the international academic journal Nature Materials on March 31 (local time).